JPH11118662A - 水力機械の壊食予測法 - Google Patents
水力機械の壊食予測法Info
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- JPH11118662A JPH11118662A JP28158897A JP28158897A JPH11118662A JP H11118662 A JPH11118662 A JP H11118662A JP 28158897 A JP28158897 A JP 28158897A JP 28158897 A JP28158897 A JP 28158897A JP H11118662 A JPH11118662 A JP H11118662A
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- Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
- Control Of Non-Positive-Displacement Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】水力機械・機器に発生するキャンビテーション
による壊食を、短時間、安価で、精度良く予測可能な予
測法を得ること。 【解決手段】水力機械の内部流路にキャビテーションに
より発生する壊食を予測する方法において、水力機械の
内部流れの乱流解析を行って渦度分布を求め、その渦度
がある数値以上においては壊食が発生すると判定する。
による壊食を、短時間、安価で、精度良く予測可能な予
測法を得ること。 【解決手段】水力機械の内部流路にキャビテーションに
より発生する壊食を予測する方法において、水力機械の
内部流れの乱流解析を行って渦度分布を求め、その渦度
がある数値以上においては壊食が発生すると判定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水車、ポンプ、舶
用プロペラ、等の水力機械や弁、絞り等の水力機器や油
圧機器において、キャビテーションにより発生する壊食
を運転前に事前にその発生の有無を予測する水力機械の
壊食予測法に関する。
用プロペラ、等の水力機械や弁、絞り等の水力機器や油
圧機器において、キャビテーションにより発生する壊食
を運転前に事前にその発生の有無を予測する水力機械の
壊食予測法に関する。
【０００２】
【従来の技術】代表例としてポンプについて述べるが、
他の水力機械・機器や油圧機器についても同様である。
従来は次のような方法により壊食の発生の有無の予測を
行っている。
他の水力機械・機器や油圧機器についても同様である。
従来は次のような方法により壊食の発生の有無の予測を
行っている。
【０００３】（１）実機ポンプと同じ全揚程を持つ小形
モデルポンプを製作し、ある時間本ポンプをキャビテー
ションが発生する条件で連続運転して壊食を発生させ、
その壊食痕に基づき実機の壊食を予測する。本方法によ
れば極めて高い実機壊食の予測精度を得ることができ
る。
モデルポンプを製作し、ある時間本ポンプをキャビテー
ションが発生する条件で連続運転して壊食を発生させ、
その壊食痕に基づき実機の壊食を予測する。本方法によ
れば極めて高い実機壊食の予測精度を得ることができ
る。
【０００４】（２）ポンプのケーシングの振動加速度を
測定し、別途、従来実績の振動加速度と壊食との関係を
調査して整理された資料から、その振動加速度に対応す
る材質別の壊食速度を求め、実機条件下での壊食を予測
する方法である。本方法によれば測定が短時間で安価に
実現可能のため、本法は実用性が高い予測法である。
測定し、別途、従来実績の振動加速度と壊食との関係を
調査して整理された資料から、その振動加速度に対応す
る材質別の壊食速度を求め、実機条件下での壊食を予測
する方法である。本方法によれば測定が短時間で安価に
実現可能のため、本法は実用性が高い予測法である。
【０００５】本方法を適用した事例として特公平６−１
００１９８号公報記載の「ポンプの寿命予測法」があ
る。
００１９８号公報記載の「ポンプの寿命予測法」があ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記（１）の従来技術
においては次のような問題点がある。すなわち、小形モ
デルポンプの製作及び連続運転を行うためには多大の経
費と時間を必要とする。一方、（２）の従来技術におい
ては経費と時間は（１）の技術に比べ格段に少額の経費
と時間で壊食の予測を行うことができるが、精度の高い
振動加速度と壊食の関係データを得ることは困難で、予
測精度が低くなるという問題がある。
においては次のような問題点がある。すなわち、小形モ
デルポンプの製作及び連続運転を行うためには多大の経
費と時間を必要とする。一方、（２）の従来技術におい
ては経費と時間は（１）の技術に比べ格段に少額の経費
と時間で壊食の予測を行うことができるが、精度の高い
振動加速度と壊食の関係データを得ることは困難で、予
測精度が低くなるという問題がある。
【０００７】本発明は、ポンプ等の水力機械に発生する
キャビテーションによる壊食を、乱流解析等で得られる
渦度分布から、事前に壊食発生の可能性を予測する水力
機械の壊食予測方法を提供することを目的とする。
キャビテーションによる壊食を、乱流解析等で得られる
渦度分布から、事前に壊食発生の可能性を予測する水力
機械の壊食予測方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、水力機械の
内部流路にキャビテーションにより発生する壊食を予測
する方法において、水力機械の内部流れの乱流解析を行
って渦度分布を求め、その渦度がある数値以上において
は壊食が発生すると判定する、ことによって達成され
る。
内部流路にキャビテーションにより発生する壊食を予測
する方法において、水力機械の内部流れの乱流解析を行
って渦度分布を求め、その渦度がある数値以上において
は壊食が発生すると判定する、ことによって達成され
る。
【０００９】水力機械で激しい壊食が生じて問題となる
なる場合は、通常、低流量域で羽根車入口付近に生ずる
ような渦状のキャビテーションが発生している場合が多
い。この渦状キャビテーションの発生と羽根面上の渦度
の大きさとには良好な相関関係がある。このような壊食
性の強い渦状キャビテーションの発生を設計図に基づき
事前に予測できれば、激しい壊食の発生の有無も高精度
で予測できることになる。そこで、水力機械の内部流れ
を乱流解析により流路壁面上の渦度を求め、ある数値以
上の領域は渦状のキャビテーションひいては壊食が発生
する可能性が極めて高いと予測する。
なる場合は、通常、低流量域で羽根車入口付近に生ずる
ような渦状のキャビテーションが発生している場合が多
い。この渦状キャビテーションの発生と羽根面上の渦度
の大きさとには良好な相関関係がある。このような壊食
性の強い渦状キャビテーションの発生を設計図に基づき
事前に予測できれば、激しい壊食の発生の有無も高精度
で予測できることになる。そこで、水力機械の内部流れ
を乱流解析により流路壁面上の渦度を求め、ある数値以
上の領域は渦状のキャビテーションひいては壊食が発生
する可能性が極めて高いと予測する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は水力機械・機器に関する実
施例の壊食予測法のフロー線図である。本実施例につい
ても、ポンプについて代表例として説明する。の段階
においては、ポンプ内部のキャビテーションが発生して
いない状態での流れを乱流解析にて求める。その際、キ
ャビテーション強さが設計点より大きくなる低流量域に
ついてより詳細に解析する。次にの段階においては、
（数１）、（数２）で定義される流路壁面上の渦度ｑの
大きさの分布を乱流解析結果から等高線の形で求め表示
する。
施例の壊食予測法のフロー線図である。本実施例につい
ても、ポンプについて代表例として説明する。の段階
においては、ポンプ内部のキャビテーションが発生して
いない状態での流れを乱流解析にて求める。その際、キ
ャビテーション強さが設計点より大きくなる低流量域に
ついてより詳細に解析する。次にの段階においては、
（数１）、（数２）で定義される流路壁面上の渦度ｑの
大きさの分布を乱流解析結果から等高線の形で求め表示
する。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】ここに、ｑx、ｑy、ｑz は、それぞれ渦度
ｑのｘ，ｙ，ｚ軸方向の成分である。また、ｕ，ｖ，ｗ
は、それぞれ流速Ｖのｘ，ｙ，ｚ軸方向の成分である。
渦度は流れの回転運動を表す量で、大きさと方向を持つ
ベクトル量である。微小部分の回転角速度の２倍の値を
持っている。従って、渦度は流れの中に発生する渦の大
きさを表す尺度と考えることができる。次にの段階で
は、別途、壊食が生じた種々のポンプについて乱流解析
から得た渦度ｑとその壊食痕から後述する（数３）で定
義されるキャビテーション強さＩとの関係からで得た
渦度ｑに対するキャビテーション強さＩを求める。の
段階においてはで得られたキャビテーション強さＩか
ら壊食の侵食速度ＥＲを後述の（数５）にて求め、壊食
の程度が定量的に予測される。
ｑのｘ，ｙ，ｚ軸方向の成分である。また、ｕ，ｖ，ｗ
は、それぞれ流速Ｖのｘ，ｙ，ｚ軸方向の成分である。
渦度は流れの回転運動を表す量で、大きさと方向を持つ
ベクトル量である。微小部分の回転角速度の２倍の値を
持っている。従って、渦度は流れの中に発生する渦の大
きさを表す尺度と考えることができる。次にの段階で
は、別途、壊食が生じた種々のポンプについて乱流解析
から得た渦度ｑとその壊食痕から後述する（数３）で定
義されるキャビテーション強さＩとの関係からで得た
渦度ｑに対するキャビテーション強さＩを求める。の
段階においてはで得られたキャビテーション強さＩか
ら壊食の侵食速度ＥＲを後述の（数５）にて求め、壊食
の程度が定量的に予測される。
【００１４】以下、上述の壊食の予測法の詳細説明とし
て、羽根車内のキャビテーションと壊食と渦度の関係に
ついて説明する。ポンプ羽根車において激しい壊食が生
ずるのは、ポンプの最高効率点の流量Ｑnより低流量
側、例えば６０％Ｑn等において運転される場合であ
る。
て、羽根車内のキャビテーションと壊食と渦度の関係に
ついて説明する。ポンプ羽根車において激しい壊食が生
ずるのは、ポンプの最高効率点の流量Ｑnより低流量
側、例えば６０％Ｑn等において運転される場合であ
る。
【００１５】図２、図３及び図４は低流量域における羽
根車１の入口付近の流れの様相を示す。子午面断面で
は、流れはシュラウド２側で逆流４が生じ、ハブ３側は
正流５となる。一方、羽根間流路では負圧面入口側に逆
流４が生じる。その結果、羽根車１の羽根入口付近には
羽根車１内に入る正流５と羽根車１から吸込側へ出て行
く逆流４との間に激しい渦８が生ずる。ポンプ吸込圧が
低い場合は、この渦８は渦状キャビテーションとなる。
この渦状キャビテーションは常に激しく変動し、ある時
は逆流４に乗って羽根車１の上流へ向かい、ある時は羽
根車１の羽根の圧力面６にその端面は達し、そこで崩壊
する。その結果、羽根圧力面６に激しい壊食がもたらさ
れる。
根車１の入口付近の流れの様相を示す。子午面断面で
は、流れはシュラウド２側で逆流４が生じ、ハブ３側は
正流５となる。一方、羽根間流路では負圧面入口側に逆
流４が生じる。その結果、羽根車１の羽根入口付近には
羽根車１内に入る正流５と羽根車１から吸込側へ出て行
く逆流４との間に激しい渦８が生ずる。ポンプ吸込圧が
低い場合は、この渦８は渦状キャビテーションとなる。
この渦状キャビテーションは常に激しく変動し、ある時
は逆流４に乗って羽根車１の上流へ向かい、ある時は羽
根車１の羽根の圧力面６にその端面は達し、そこで崩壊
する。その結果、羽根圧力面６に激しい壊食がもたらさ
れる。
【００１６】図７はそのような渦状キャビテーションが
羽根車１内で発生したとき、羽根車１の羽根の圧力面６
に発生した激しい壊食の事例である。このように低流量
域の激しい壊食は、逆流４に基づく渦状キャビテーショ
ンによりもたらされる。
羽根車１内で発生したとき、羽根車１の羽根の圧力面６
に発生した激しい壊食の事例である。このように低流量
域の激しい壊食は、逆流４に基づく渦状キャビテーショ
ンによりもたらされる。
【００１７】このように低流量域では圧力面６の羽根入
口付近に激しい壊食が発生する可能性が高い。
口付近に激しい壊食が発生する可能性が高い。
【００１８】そこで、図７に示した壊食事例の羽根車で
ある図５に示す羽根車を持つポンプについて、設計点の
６０％流量点においての乱流解析を行った。
ある図５に示す羽根車を持つポンプについて、設計点の
６０％流量点においての乱流解析を行った。
【００１９】図６はその解析結果の一例で、子午面のシ
ュラウド面に平行な回転面上の相対速度ベクトルを示
す。羽根前縁付近９には圧力面６から負圧面７に回り込
みながら逆流する流れが発生していることが見られる。
この付近に渦状のキャビテーションが発生することが、
実験的な観察から確認されている。そのような渦状キャ
ビテーションにより羽根の圧力面には図５に示すような
激しい壊食の発生がもたらされるのである。
ュラウド面に平行な回転面上の相対速度ベクトルを示
す。羽根前縁付近９には圧力面６から負圧面７に回り込
みながら逆流する流れが発生していることが見られる。
この付近に渦状のキャビテーションが発生することが、
実験的な観察から確認されている。そのような渦状キャ
ビテーションにより羽根の圧力面には図５に示すような
激しい壊食の発生がもたらされるのである。
【００２０】一方、前述の乱流解析結果から算出される
（数１）（数２）の渦度は、等高線表示で、図６のよう
に表される。図においては白い部分が渦度が高く黒い部
分が渦度が低い部分である。図７の壊食領域と図８の渦
度が高い白い領域は、そのパタンが似通っている。もっ
とも領域の面積などには相違があるが、基本的な様相す
なわち、羽根前縁部では領域の幅は広く、下流側に向か
い三角形状に幅が狭まって行くという点において類似性
は極めて高い。従って、渦度の大きさと壊食には良好な
相関関係がり、渦度を評価することにより壊食の発生の
有無を評価できることになる。これは渦度は前述の通り
流れの渦の大きさを示す尺度であり、渦度が大なること
は強力な渦状のキャビテーションが発生する可能性が高
く、その結果、キャビテーションの崩壊によりもたらさ
れる壊食エネルギーも大きくなり、壊食も激しくなるた
めである。
（数１）（数２）の渦度は、等高線表示で、図６のよう
に表される。図においては白い部分が渦度が高く黒い部
分が渦度が低い部分である。図７の壊食領域と図８の渦
度が高い白い領域は、そのパタンが似通っている。もっ
とも領域の面積などには相違があるが、基本的な様相す
なわち、羽根前縁部では領域の幅は広く、下流側に向か
い三角形状に幅が狭まって行くという点において類似性
は極めて高い。従って、渦度の大きさと壊食には良好な
相関関係がり、渦度を評価することにより壊食の発生の
有無を評価できることになる。これは渦度は前述の通り
流れの渦の大きさを示す尺度であり、渦度が大なること
は強力な渦状のキャビテーションが発生する可能性が高
く、その結果、キャビテーションの崩壊によりもたらさ
れる壊食エネルギーも大きくなり、壊食も激しくなるた
めである。
【００２１】従って、設計段階において、設計された吸
込流路、羽根車、ディフューザあるいはボリュートケー
シングなどの組み合わせからなるポンプ内部流路につい
て乱流解析を行い、流路壁面上の渦度分布を求め、実績
データから材料別に定めた壊食発生限界渦度の値以上の
領域を調べ、その領域を特定すれば、その領域が壊食を
被る領域であると予測することができる。
込流路、羽根車、ディフューザあるいはボリュートケー
シングなどの組み合わせからなるポンプ内部流路につい
て乱流解析を行い、流路壁面上の渦度分布を求め、実績
データから材料別に定めた壊食発生限界渦度の値以上の
領域を調べ、その領域を特定すれば、その領域が壊食を
被る領域であると予測することができる。
【００２２】壊食発生限界の渦度ｑcavの値は、次のよ
うにして求める。すなわち、壊食が発生した多くの実績
ポンプについて乱流解析を行い、壊食発生領域の渦度ｑ
を求める。一方、その壊食痕の深さＥと運転時間Ｔから
（数３）にて定義されるキャビテーションの壊食に及ぼ
す強さIを求め、上述の渦度ｑとキャビテーション強さ
Ｉとの関係式（数４）やあるいは関係線図を求める。
うにして求める。すなわち、壊食が発生した多くの実績
ポンプについて乱流解析を行い、壊食発生領域の渦度ｑ
を求める。一方、その壊食痕の深さＥと運転時間Ｔから
（数３）にて定義されるキャビテーションの壊食に及ぼ
す強さIを求め、上述の渦度ｑとキャビテーション強さ
Ｉとの関係式（数４）やあるいは関係線図を求める。
【００２３】
【数３】
【００２４】
【数４】
【００２５】ここに、ｑ：渦度[1/sec], a、 b、：実績
データから定まる定数である。
データから定まる定数である。
【００２６】この関係式や関係線図を用いて、解析で得
られた渦度ｑに対するキャビテーション壊食強さＩを求
め、（数５）に基づき壊食の侵食速度ＥＲを求める。
られた渦度ｑに対するキャビテーション壊食強さＩを求
め、（数５）に基づき壊食の侵食速度ＥＲを求める。
【００２７】
【数５】
【００２８】ここに、記号は（数３）に用いられている
ものと同じである。得られた侵食速度ＥＲが設計仕様の
侵食速度より大であれば、仕様を満足しないのでより耐
食性の高い材料を適用したり、羽根車形状を修正して渦
度が小さくなるように設計する必要がある。
ものと同じである。得られた侵食速度ＥＲが設計仕様の
侵食速度より大であれば、仕様を満足しないのでより耐
食性の高い材料を適用したり、羽根車形状を修正して渦
度が小さくなるように設計する必要がある。
【００２９】以上によりポンプに発生する壊食を解析的
に机上にて予測することが可能で、壊食を回避するため
の対応策も実機製作・運転前に検討することが可能とな
り、壊食に対して信頼性の高いポンプを設計することが
可能となる。
に机上にて予測することが可能で、壊食を回避するため
の対応策も実機製作・運転前に検討することが可能とな
り、壊食に対して信頼性の高いポンプを設計することが
可能となる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、水力機器の設計段階に
おいて乱流解析を行うだけで壊食の発生場所とその強さ
を予測することが可能となり、その結果、従来の壊食の
予測技術に比べ、大幅に経費、時間を縮減することがで
きる。
おいて乱流解析を行うだけで壊食の発生場所とその強さ
を予測することが可能となり、その結果、従来の壊食の
予測技術に比べ、大幅に経費、時間を縮減することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の壊食の予測法を説明するフロー線図。
【図２】ポンプの低流量域で羽根車羽根入口付近に発生
する逆流及び渦状キャビテーションを示す図。
する逆流及び渦状キャビテーションを示す図。
【図３】実施例として乱流解析を行ったポンプの羽根車
の子午面流路。
の子午面流路。
【図４】実施例として乱流解析を行ったポンプの羽根車
の羽根間流路。
の羽根間流路。
【図５】実施例として乱流解析を行ったポンプの羽根車
の羽根入り口付近の流れの様相を示す図。
の羽根入り口付近の流れの様相を示す図。
【図６】乱流解析から得た設計流量の６０％流量点にお
ける羽根車内の相対速度ベクトル分布図。
ける羽根車内の相対速度ベクトル分布図。
【図７】設計流量の６０％流量の低流量点で、羽根車羽
根圧力面に発生した壊食の様相を示す図。
根圧力面に発生した壊食の様相を示す図。
【図８】乱流解析から得た羽根面上の渦度分布図。
１…羽根車、２…シュラウド、３…ハブ。
Claims (3)
- 【請求項１】水力機械の内部流路にキャビテーションに
より発生する壊食を予測する方法において、水力機械の
内部流れの乱流解析を行って渦度分布を求め、その渦度
がある数値以上においては壊食が発生すると判定するこ
とを特徴とする水力機械の壊食予測法。 - 【請求項２】請求項１記載の水力機械の壊食予測方法に
おいて、材料の耐壊食性と壊食の侵食速度とから定義さ
れるキャビテーション強さと渦度の大きさとの関係か
ら、材料の壊食速度を予測することを特徴とする水力機
械の壊食予測法。 - 【請求項３】請求項１記載の水力機械の壊食予測方法に
おいて、材料の耐壊食性と壊食深さの侵食速度とから定
義されるキャビテーション強さと渦度の大きさとの関係
から、乱流解析で得られた渦度の大きさに対応するキャ
ビテーション強さを求め、壊食速度の設計仕様に適切な
適用材料を選定することを特徴とする水力機械の壊食予
測法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28158897A JP3353668B2 (ja) | 1997-10-15 | 1997-10-15 | 水力機械の壊食予測法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28158897A JP3353668B2 (ja) | 1997-10-15 | 1997-10-15 | 水力機械の壊食予測法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11118662A true JPH11118662A (ja) | 1999-04-30 |
| JP3353668B2 JP3353668B2 (ja) | 2002-12-03 |
Family
ID=17641251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28158897A Expired - Fee Related JP3353668B2 (ja) | 1997-10-15 | 1997-10-15 | 水力機械の壊食予測法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3353668B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002267584A (ja) * | 2001-03-09 | 2002-09-18 | Hitoshi Soyama | 材料固有のキャビテーション衝撃力のしきい値特定方法と、キャビテーション噴流による壊食量の定量的予測法と、そのための壊食量の定量的予測装置。 |
| JP2020051321A (ja) * | 2018-09-26 | 2020-04-02 | 株式会社クボタ | ポンプ装置の維持管理方法、設計方法、及びポンプ装置 |
| CN117516947A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-06 | 西华大学 | 一种水泵水轮机可视化试验系统及实验方法 |
-
1997
- 1997-10-15 JP JP28158897A patent/JP3353668B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002267584A (ja) * | 2001-03-09 | 2002-09-18 | Hitoshi Soyama | 材料固有のキャビテーション衝撃力のしきい値特定方法と、キャビテーション噴流による壊食量の定量的予測法と、そのための壊食量の定量的予測装置。 |
| JP4665186B2 (ja) * | 2001-03-09 | 2011-04-06 | 株式会社 東北テクノアーチ | 材料固有のキャビテーション衝撃力のしきい値特定方法と、キャビテーション噴流による壊食量の定量的予測法と、そのための壊食量の定量的予測装置。 |
| JP2020051321A (ja) * | 2018-09-26 | 2020-04-02 | 株式会社クボタ | ポンプ装置の維持管理方法、設計方法、及びポンプ装置 |
| CN117516947A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-06 | 西华大学 | 一种水泵水轮机可视化试验系统及实验方法 |
| CN117516947B (zh) * | 2024-01-02 | 2024-03-15 | 西华大学 | 一种水泵水轮机可视化试验系统及实验方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3353668B2 (ja) | 2002-12-03 |
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